JP2012009677A - Piezoelectric film and piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電体膜および圧電素子に係り、特に、高い圧電性能を持つ圧電体膜および圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric film and a piezoelectric element, and more particularly to a piezoelectric film and a piezoelectric element having high piezoelectric performance.
従来より、アクチュエータとして、電圧を印加することによって変位する圧電効果を有する圧電体膜と、この圧電体膜に電圧を印加する電極とを組み合わせた圧電素子が知られている。圧電体膜は薄膜であり、微細化に有利であるため、非常に有用であるが、圧電性能が振るわないため、充分なデバイス性能を発揮できない問題があった。 2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric element that combines a piezoelectric film having a piezoelectric effect that is displaced by applying a voltage and an electrode that applies a voltage to the piezoelectric film is known as an actuator. The piezoelectric film is a thin film and is very useful because it is advantageous for miniaturization. However, since the piezoelectric performance does not change, there is a problem that sufficient device performance cannot be exhibited.
圧電材料としては、PZT(ジルコンチタン酸鉛)、およびPZTのAサイトおよび/またはBサイトの一部を他元素で置換したPZTの置換系が知られている。被置換イオンの価数よりも高い価数を有するドナイオンを添加したPZTでは、真性PZTよりも圧電性能が向上することが知られている。 As the piezoelectric material, PZT (lead zirconate titanate) and a PZT substitution system in which part of the A site and / or B site of PZT is substituted with other elements are known. It is known that PZT to which a donor ion having a valence higher than that of a substituted ion is added has improved piezoelectric performance as compared with intrinsic PZT.
例えば、下記の特許文献1には、Bサイトの原子をTaまたはNbで5%〜20%の範囲で置換し、添加物として、SiO2またはGeO2を含有する圧電体膜が記載されている。
For example,
近年、さらに、高い圧電性能を有する圧電体膜への要望が高まってきている。本発明は、さらに高い圧電性能を有する圧電体膜、および、圧電素子を提供する。 In recent years, there has been an increasing demand for piezoelectric films having high piezoelectric performance. The present invention provides a piezoelectric film and a piezoelectric element having higher piezoelectric performance.
本発明の請求項1は前記目的を達成するために、(100)面に優先配向したペロブスカイト構造を有し、組成式:Pb1+δ[(ZrxTi1−x)1−yNby]Ozで表される複合酸化物であり、式中、xは0<x<1の範囲であり、yは0.13≦y≦0.25の範囲であり、かつ、X線回折法によって測定されたペロブスカイト(100)面からの回折ピーク強度I(100)とペロブスカイト(200)面からの回折ピーク強度I(200)の比が、I(100)/I(200)≧1.25を満たすことを特徴とする圧電体膜を提供する。
(δ=0およびz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準値からずれてもよい。)
請求項1によれば、Nbの量を13%以上としているので、圧電特性・誘電特性を向上させることができる。また、I(100)/I(200)≧1.25を満たすことにより、Pbがペロブスカイト格子中の有効な位置に配置されていることが確認でき、充分な圧電性能を得ることができる。また、I(100)/I(200)≧1.25の比を規定することで、結晶中の不安定なPbイオンの量を減らすことができるので、連続駆動耐久性を向上させることができる。
In order to achieve the above object,
(Δ = 0 and z = 3 are standard, but these values may deviate from the reference value within a range where a perovskite structure can be taken.)
According to the first aspect, since the amount of Nb is set to 13% or more, piezoelectric characteristics and dielectric characteristics can be improved. Further, by satisfying I (100) / I (200) ≧ 1.25, it can be confirmed that Pb is arranged at an effective position in the perovskite lattice, and sufficient piezoelectric performance can be obtained. Further, by defining the ratio of I (100) / I (200) ≧ 1.25, the amount of unstable Pb ions in the crystal can be reduced, so that continuous driving durability can be improved. .
請求項2は請求項1において、前記回折ピーク強度I(100)と前記回折ピーク強度I(200)の比が、I(100)/I(200)≧1.29を満たすことを特徴とする。 A second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, a ratio of the diffraction peak intensity I (100) to the diffraction peak intensity I (200) satisfies I (100) / I (200) ≧ 1.29. .
請求項3は請求項2において、yは0.19≦y≦0.25の範囲であることを特徴とする。 A third aspect is characterized in that, in the second aspect, y is in a range of 0.19 ≦ y ≦ 0.25.
請求項2および請求項3によれば、Nbのドープ量を19%以上とすること、また、I(100)/I(200)を1.29以上とすることで、さらに高い圧電特性・誘電特性を有する圧電体膜を提供することができる。
According to
請求項4は請求項1から3いずれか1項において、結晶相が菱面体晶相を含むことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the crystal phase includes a rhombohedral phase.
菱面体晶相の自発分極は(111)方向であるが、(100)方向の電界をかけたときに大きな圧電定数を示すことが知られている。 Although the spontaneous polarization of the rhombohedral phase is in the (111) direction, it is known to exhibit a large piezoelectric constant when an electric field in the (100) direction is applied.
請求項4によれば、結晶層が菱面体晶相を含んでいるので、上で述べたような効果でさらに高い圧電性能を有する圧電体膜を提供することができる。 According to the fourth aspect, since the crystal layer includes the rhombohedral phase, it is possible to provide a piezoelectric film having higher piezoelectric performance due to the effects described above.
請求項5は請求項1から4いずれか1項において、膜厚が2μm以上であることを特徴とする。 A fifth aspect is characterized in that in any one of the first to fourth aspects, the film thickness is 2 μm or more.
本発明によれば、I(100)/I(200)の比を規定することで、連続駆動耐久性を向上させることができると供に、膜厚を厚くすることで、さらに、耐久性を向上させることができる。 According to the present invention, by defining the ratio of I (100) / I (200), continuous driving durability can be improved, and by increasing the film thickness, durability can be further increased. Can be improved.
請求項6は請求項1から5いずれか1項において、圧電定数d31が220pm/V以上であることを特徴とする。 A sixth aspect is characterized in that the piezoelectric constant d 31 is 220 pm / V or more in any one of the first to fifth aspects.
請求項7は請求項6において、圧電定数d31が250pm/V以上であることを特徴とする。 A seventh aspect is characterized in that, in the sixth aspect, the piezoelectric constant d 31 is 250 pm / V or more.
請求項6または7によれば、圧電体膜の圧電定数d31を、220pm/V以上、さらに好ましくは、250pm/V以上としているので、充分な圧電性能を得ることができる。 According to the sixth or seventh aspect, since the piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric film is set to 220 pm / V or more, more preferably 250 pm / V or more, sufficient piezoelectric performance can be obtained.
請求項8は請求項1から7いずれか1項において、結晶構造が、厚さ方向に延びる柱状結晶構造であることを特徴とする。 An eighth aspect is characterized in that, in any one of the first to seventh aspects, the crystal structure is a columnar crystal structure extending in a thickness direction.
請求項8によれば、結晶構造が、厚さ方向に延びる柱状結晶構造であるので、膜厚の厚い圧電体膜を形成することができる。 According to the eighth aspect, since the crystal structure is a columnar crystal structure extending in the thickness direction, a thick piezoelectric film can be formed.
請求項9は請求項1から8いずれか1項において、スパッタリング法により形成されたことを特徴とする。 A ninth aspect is characterized in that in any one of the first to eighth aspects, the film is formed by a sputtering method.
請求項9によれば、圧電体膜をスパッタリング法により形成しているので、積層結晶化に起因する横スジの発生を防止することができ、耐久性を向上させることができる。 According to the ninth aspect, since the piezoelectric film is formed by the sputtering method, it is possible to prevent the occurrence of lateral streaks due to the stacked crystallization and improve the durability.
本発明の請求項10は前記目的を達成するために、請求項1から9いずれか1項に記載の圧電体膜と、電界を印加する電極と、を備えることを特徴とする圧電素子を提供する。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element comprising the piezoelectric film according to any one of the first to ninth aspects and an electrode for applying an electric field, in order to achieve the object. To do.
請求項10によれば、本発明の圧電体膜を用いることにより、高い圧電性能を有する圧電素子を提供することができる。 According to the tenth aspect, a piezoelectric element having high piezoelectric performance can be provided by using the piezoelectric film of the present invention.
本発明の圧電体膜によれば、Nbを13%以上含有させ、(100)面と(200)面からの回折ピーク強度比を所定の値以上としたので、充分な圧電性能を得ることができる。また、本発明の圧電体膜を圧電素子に用いることにより、充分な性能を有する圧電素子を提供することができる。 According to the piezoelectric film of the present invention, 13% or more of Nb is contained, and the diffraction peak intensity ratio from the (100) plane and the (200) plane is set to a predetermined value or more, so that sufficient piezoelectric performance can be obtained. it can. Further, by using the piezoelectric film of the present invention for a piezoelectric element, a piezoelectric element having sufficient performance can be provided.
以下、添付図面にしたがって、本発明に係る圧電体膜、圧電素子の好ましい実施の形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a piezoelectric film and a piezoelectric element according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[圧電素子、インクジェット式記録ヘッド]
図1を参照して、本発明に係る圧電体膜を備える圧電素子およびインクジェット式記録ヘッドの構造について説明する。図1は、インクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
[Piezoelectric element, inkjet recording head]
With reference to FIG. 1, the structure of a piezoelectric element and an ink jet recording head provided with a piezoelectric film according to the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of an ink jet recording head. In order to facilitate visual recognition, the scale of the constituent elements is appropriately changed from the actual one.
本実施形態のインクジェット式記録ヘッド3は、概略、圧電アクチュエータ2の裏面側に、インクが貯留されるインク室(液体貯留室)21及びインク室21から外部にインクが吐出されるインク吐出口(液体吐出口)22を有するインクノズル(液体貯留吐出部材)20が取付けられたものである。
The ink
インクジェット式記録ヘッドでは、圧電素子1に印加する電界強度を増減させて圧電素子1を伸縮させ、これによってインク室21からのインクの吐出量の制御が行なわれる。
In the ink jet recording head, the electric field strength applied to the
圧電アクチュエータ2は、圧電素子1の基板11の裏面に、圧電体膜13の伸縮により振動する振動板16が取り付けられたものである。
In the
基板11とは独立した部材の振動板16及びインクノズル20を取り付ける代わりに、基板11の一部を振動板16及びインクノズル20に加工してもよい。例えば、基板11を裏面側からエッチングしてインク室21を形成し、基板自体の加工により振動板16とインクノズル20とを形成することができる。
Instead of attaching the
圧電素子1は、基板11の表面に、下部電極層12と圧電体膜13と上部電極層14とが順次積層された素子であり、圧電体膜13は、下部電極層12と上部電極層14とにより膜厚方向に電界が印加されるようになっている。
The
圧電アクチュエータ2はたわみ振動モードのアクチュエータであり、下部電極層12はインク室21毎に駆動電圧を変動可能なように、圧電体膜13と共にパターニングされている。圧電素子1には、下部電極層12の印加電圧を変動させる駆動制御を行う駆動ドライバ15も備えられている。
The
本実施形態の圧電素子1において、基板11としては特に制限なく、シリコン,ガラス,ステンレス(SUS),イットリウム安定化ジルコニア(YSZ),SrTiO3,アルミナ,サファイヤ,及びシリコンカーバイド等の基板が挙げられる。基板11としては、シリコン基板上にSiO2膜とSi活性層とが順次積層されたSOI基板等の積層基板を用いてもよい。また、基板11と下部電極層12との間に、格子整合性を良好にするためのバッファ層や、電極と基板との密着性を良好にするための密着層等を設けても構わない。
In the
下部電極層12の主成分としては特に制限なく、Au,Pt,Ir,IrO2,RuO2,LaNiO3,及びSrRuO3等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。
The main component of the
上部電極層14の主成分としては特に制限なく、下部電極層12で例示した材料、Al,Ta,Cr,及びCu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。
The main component of the
下部電極層12と上部電極層14の厚みは特に制限なく、50〜500nmであることが好ましい。
The thicknesses of the
圧電体膜13は、(100)面に優先配向したペロブスカイト構造を有している。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。具体的には、「(100)面に優先配向する」とは、X線回折広角法によって、圧電体膜を測定した際に生じる(100)面、(110)面及び(111)面の回折強度の比率(100)/((100)+(110)+(111))が0.5より大きいことを意味する。
The
圧電体膜13は、下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(P)からなるものである。
The
組成式(P):Pb1+δ[(ZrxTi1−x)1−yNby]Oz
xは0<x<1の範囲であり、yは0.13≦y≦0.25の範囲である。(δ=0およびz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準値からずれてもよい。)
また、圧電体膜13を、X線回折法によって測定したペロブスカイト(100)面からの回折ピーク強度I(100)とペロブスカイト(200)面からの回折ピーク強度I(200)の比が、I(100)/I(200)≧1.25を満たす。
Composition formula (P): Pb 1 + δ [(Zr x Ti 1-x ) 1-y Nb y ] O z
x is in the range of 0 <x <1, and y is in the range of 0.13 ≦ y ≦ 0.25. (Δ = 0 and z = 3 are standard, but these values may deviate from the reference value within a range where a perovskite structure can be taken.)
Further, the ratio of the diffraction peak intensity I (100) from the perovskite (100) plane and the diffraction peak intensity I (200) from the perovskite (200) plane measured by the X-ray diffraction method of the
好ましくは、yが0.19≦y0.25の範囲であり、I(100)/I(200)≧1.29である。 Preferably, y is in the range of 0.19 ≦ y0.25, and I (100) / I (200) ≧ 1.29.
I(100)/I(200)の値は、結晶中に存在する不安定なPbイオンの量と相関がある。この値が小さいほど結晶中において圧電機能を阻害するPbイオンが多いことを示している。また、結晶中に不安定なPbイオンが多いと、連続耐久性にも悪影響を及ぼす。 The value of I (100) / I (200) correlates with the amount of unstable Pb ions present in the crystal. It is shown that the smaller this value is, the more Pb ions inhibit the piezoelectric function in the crystal. Moreover, if there are many unstable Pb ions in the crystal, the continuous durability is also adversely affected.
[圧電体膜の成膜方法]
圧電体膜13の成膜方法としては、特に限定されず、スパッタ法、プラズマCVD法、MOCVD法、およびPL法などの気相成長法;ゾルゲル法および有機金属分解法などの液相法;およびエアロゾルデポジション法などが挙げられる。成膜中に成膜条件を変えやすいことから気相成長法が好ましい。また、気相成長法で行なうことにより、成膜時の横スジの発生を抑制することができ、耐久性の高い圧電体膜を成膜することができる。
[Method for forming piezoelectric film]
The method for forming the
本発明においては、結晶中の不安定なPbイオンの量を減らす(I(100)/I(200)の値を高くする)ため、基板に衝突するイオンエネルギーが大きくなるように、圧電体膜の成膜を行なう。 In the present invention, in order to reduce the amount of unstable Pb ions in the crystal (increase the value of I (100) / I (200)), the piezoelectric film is formed so that the ion energy colliding with the substrate is increased. The film is formed.
気相成長法による圧電体膜の製造は、基材とターゲットを対向させて、プラズマを用いて基板上にターゲットの構成元素を含む膜を成膜する成膜装置に適用可能である。適用可能な成膜方法としては、2極スパッタリング法、3極スパッタリング法、直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法(RFスパッタリング法)、ECRスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、対向ターゲットスパッタリング法、パルススパッタリング法、及びイオンビームスパッタリング法等のスパッタリング法が挙げられる。本発明が適用可能な気相成長法としては、スパッタリング法の他、イオンプレーティング法、及びプラズマCVD法等が挙げられる。本実施形態では高周波スパッタリング法(RFスパッタリング法)を例として説明する。 The production of the piezoelectric film by the vapor phase growth method can be applied to a film forming apparatus that forms a film containing a constituent element of a target on a substrate using plasma with a base material and a target facing each other. Applicable film formation methods include bipolar sputtering, tripolar sputtering, direct current sputtering, high frequency sputtering (RF sputtering), ECR sputtering, magnetron sputtering, counter target sputtering, pulse sputtering, and A sputtering method such as an ion beam sputtering method can be given. Examples of the vapor deposition method to which the present invention can be applied include an ion plating method and a plasma CVD method in addition to the sputtering method. In the present embodiment, a high frequency sputtering method (RF sputtering method) will be described as an example.
図2に、本発明の圧電体膜を製造する製造装置の一例を示す。図2に示す成膜装置(高周波スパッタリング装置)200は、基板Bが装着可能であり、装着された基板Bを所定温度に加熱することが可能な基板ホルダー211と、ターゲットTが装着可能なターゲットホルダ212とが備えられた真空容器210から概略構成されている。図2における装置では、真空容器210が成膜チャンバとなっている。
FIG. 2 shows an example of a manufacturing apparatus for manufacturing the piezoelectric film of the present invention. A film forming apparatus (high-frequency sputtering apparatus) 200 shown in FIG. 2 is capable of mounting a substrate B, a
真空容器210内において、基板ホルダー211とターゲットホルダ212とは互いに対向するように離間配置されている。ターゲットホルダ212は真空容器210の外部に配置された高周波電源(RF電源)213に接続されており、ターゲットホルダ212がプラズマを発生させるためのプラズマ電源(カソード電極)となっている。図2においては、真空容器210内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段214として、高周波電源213及びプラズマ電極(カソード電極)として機能するターゲットホルダ212が備えられている。
In the
基板Bは特に制限されず、Si基板、酸化物基板、ガラス基板、及び各種フレキシブル基板など、用途に応じて適宜選択することができる。ターゲットTの組成は、成膜する膜の組成に応じて選定される。 The substrate B is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on applications such as a Si substrate, an oxide substrate, a glass substrate, and various flexible substrates. The composition of the target T is selected according to the composition of the film to be formed.
成膜装置200には、真空容器210内にプラズマ化させるガスGを導入するガス導入手段217と、真空容器210内のガスの排気Vを行なうガス排出管218が備えられている。ガスGとしては、Ar、またはAr/O2混合ガスなどが使用される。
The
図2においては、真空容器210内の壁面をフローティング壁220として、フローティング電位としている。壁面をフローティング電位とすることで、プラズマ電位と同電位となるため、プラズマ成分が真空容器210の壁面に到達しにくくなり、基板Bに対するイオンの衝突エネルギーを高くすることができる。したがって、Pbイオンをペロブスカイト構造(ABO3)のAサイトに配置することができ、結晶中の不安定なPbイオンの量を減らすことができるので、形成された圧電体膜は高い圧電性能を得ることができる。また、不安定なPbイオンが少ないので、X線回折法によって測定された回折ピーク強度の比(I(100)/I(200))を大きくすることができる。
In FIG. 2, the wall surface in the
図2においては、真空容器210の壁面をフローティング電位とすることで、基板Bへのイオンの衝突エネルギーを高くしているが、他の方法として、真空容器210内のアノード面積を小さくする、あるいは、絶縁体で被覆する、基板Bのインピーダンスを変化させることにより、制御を行なうこともできる。
In FIG. 2, the collision energy of ions to the substrate B is increased by setting the wall surface of the
本発明においては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のペロブスカイト構造のBサイト元素をNbで置換し、圧電性能を向上させているが、Nbの量を13%以上と高い比率で添加すると、パイロクロア相という圧電性能がない異相が発生しやすい。また、Nbはペロブスカイト結晶内に5価で入るため、Nbドープ量が増加すると荷電中性が成り立たなくなる関係で、不安定なPb原子がより増加する傾向にあった。したがって、Nbを13%以上ドープする場合は、成膜中の飛来Pbイオンに高いエネルギーを与える必要がある。上述したように、図2に記載されている圧電体膜の製造装置を用いることで、イオンエネルギーを高くすることができるので、高い圧電性能を有する圧電体膜を製造することができる。 In the present invention, the B-site element of the perovskite structure of lead zirconate titanate (PZT) is replaced with Nb to improve the piezoelectric performance. A heterogeneous phase with no piezoelectric performance is likely to occur. Further, since Nb is pentavalent in the perovskite crystal, there is a tendency for unstable Pb atoms to increase due to the fact that charge neutrality does not hold as the Nb doping amount increases. Therefore, when doping Nb with 13% or more, it is necessary to give high energy to the incoming Pb ions during film formation. As described above, since the ion energy can be increased by using the piezoelectric film manufacturing apparatus shown in FIG. 2, a piezoelectric film having high piezoelectric performance can be manufactured.
このようにして形成された圧電体膜は、結晶相が菱面体晶相を含んでいることが好ましい。また、結晶構造が厚さ方向に延びる柱状結晶構造であることが好ましい。柱状結晶構造とすることで、膜厚の厚い圧電体膜を形成することができる。圧電体膜の膜厚は2μm以上20μm以下であることが好ましい。圧電体膜の膜厚を高くすることにより、耐久性の高い圧電体膜を成膜することができる。また、圧電体膜をなす多数の柱状結晶の平均粒径は、特に制限はないが、30nm以上1μm以下であることが好ましい。柱状結晶の平均粒径が小さいと、誘電特性に関してドメイン境界部分の影響が大きくなるため、所望の圧電性能が得られない恐れがある。また、柱状結晶の平均粒径が大きいと、パターニング後の形状精度が低下する恐れがある。 In the piezoelectric film thus formed, the crystal phase preferably includes a rhombohedral crystal phase. The crystal structure is preferably a columnar crystal structure extending in the thickness direction. With a columnar crystal structure, a thick piezoelectric film can be formed. The film thickness of the piezoelectric film is preferably 2 μm or more and 20 μm or less. By increasing the thickness of the piezoelectric film, a highly durable piezoelectric film can be formed. The average particle size of the many columnar crystals forming the piezoelectric film is not particularly limited, but is preferably 30 nm or more and 1 μm or less. If the average grain size of the columnar crystals is small, the influence of the domain boundary portion on the dielectric characteristics becomes large, and there is a possibility that desired piezoelectric performance cannot be obtained. Further, if the average grain size of the columnar crystals is large, the shape accuracy after patterning may be lowered.
また、圧電体膜の圧電定数d31は220pm/V以上であることが好ましく、より好ましくは250pm/V以上である。圧電定数d31を上記範囲とすることにより、圧電体膜を圧電素子およびインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)に好適に用いることができる。 The piezoelectric constant d 31 of the piezoelectric film is preferably 220 pm / V or more, more preferably 250 pm / V or more. By setting the piezoelectric constant d 31 in the above range, the piezoelectric film can be suitably used for a piezoelectric element and an ink jet recording head (liquid ejecting apparatus).
[インクジェット記録装置]
図3を参照してインクジェット式記録ヘッド3(172M、172K、172C、172Y)を備えたインクジェット記録装置の構成例について説明する。図3は、装置全体図である。
[Inkjet recording apparatus]
A configuration example of an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head 3 (172M, 172K, 172C, 172Y) will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an overall view of the apparatus.
インクジェット記録装置100は、描画部116の圧胴(描画ドラム170)に保持された記録媒体124(便宜上「用紙」と呼ぶ場合がある。)にインクジェットヘッド172M、172K、172C、172Yから複数色のインクを打滴して所望のカラー画像を形成する圧胴直描方式のインクジェット記録装置であり、インクの打滴前に記録媒体124上に処理液(ここでは凝集処理液)を付与し、処理液とインク液を反応させて記録媒体124上に画像形成を行う2液反応(凝集)方式が適用されたオンデマンドタイプの画像形成装置である。
The
図示のように、インクジェット記録装置100は、主として、給紙部112、処理液付与部114、描画部116、乾燥部118、定着部120、及び排出部122を備えて構成される。
As shown in the figure, the ink
(給紙部)
給紙部112は、記録媒体124を処理液付与部114に供給する機構であり、当該給紙部112には、枚葉紙である記録媒体124が積層されている。給紙部112には、給紙トレイ150が設けられ、この給紙トレイ150から記録媒体124が一枚ずつ処理液付与部114に給紙される。
(Paper Feeder)
The
(処理液付与部)
処理液付与部114は、記録媒体124の記録面に処理液を付与する機構である。処理液は、描画部116で付与されるインク中の色材(本例では顔料)を凝集させる色材凝集剤を含んでおり、この処理液とインクとが接触することによって、インクは色材と溶媒との分離が促進される。
(Processing liquid application part)
The processing
処理液付与部114で処理液が付与された記録媒体124は、処理液ドラム154から中間搬送部126を介して描画部116の描画ドラム170へ受け渡される。
The recording medium 124 to which the processing liquid is applied by the processing
(描画部)
描画部116は、描画ドラム(第2の搬送体)170、用紙抑えローラ174、及びインクジェット式記録ヘッド172M,172K,172C,172Yを備えている。
(Drawing part)
The
インクジェット式記録ヘッド172M,172K,172C,172Yはそれぞれ、記録媒体124における画像形成領域の最大幅に対応する長さを有するフルライン型のインクジェット方式の記録ヘッド(インクジェットヘッド)とすることが好ましい。インク吐出面には、画像形成領域の全幅にわたってインク吐出用のノズルが複数配列されたノズル列が形成されている。各インクジェット式記録ヘッド172M,172K,172C,172Yは、記録媒体124の搬送方向(描画ドラム170の回転方向)と直交する方向に延在するように設置される。 The ink jet recording heads 172M, 172K, 172C, and 172Y are preferably full-line ink jet recording heads (inkjet heads) each having a length corresponding to the maximum width of the image forming area in the recording medium 124. On the ink ejection surface, a nozzle row in which a plurality of nozzles for ink ejection are arranged over the entire width of the image forming area is formed. Each of the ink jet recording heads 172M, 172K, 172C, and 172Y is installed so as to extend in a direction orthogonal to the conveyance direction of the recording medium 124 (the rotation direction of the drawing drum 170).
描画ドラム170上に密着保持された記録媒体124の記録面に向かって各インクジェット式記録ヘッド172M,172K,172C,172Yから、対応する色インクの液滴が吐出されることにより、処理液付与部114で予め記録面に付与された処理液にインクが接触し、インク中に分散する色材(顔料)が凝集され、色材凝集体が形成される。これにより、記録媒体124上での色材流れなどが防止され、記録媒体124の記録面に画像が形成される。
A treatment liquid application unit is formed by ejecting droplets of the corresponding color ink from each of the ink jet recording heads 172M, 172K, 172C, and 172Y toward the recording surface of the recording medium 124 held in close contact with the drawing
描画部116で画像が形成された記録媒体124は、描画ドラム170から中間搬送部128を介して乾燥部118の乾燥ドラム176へ受け渡される。
The recording medium 124 on which an image is formed by the
(乾燥部)
乾燥部118は、色材凝集作用により分離された溶媒に含まれる水分を乾燥させる機構であり、図2に示すように、乾燥ドラム(搬送体)176、及び溶媒乾燥装置178を備えている。
(Drying part)
The drying
溶媒乾燥装置178は、乾燥ドラム176の外周面に対向する位置に配置され、IRヒータ182と、IRヒータ182の間に配置された温風噴出しノズル180とで構成される。
The
乾燥部118で乾燥処理が行われた記録媒体124は、乾燥ドラム176から中間搬送部130を介して定着部120の定着ドラム184へ受け渡される。
The recording medium 124 that has been dried by the drying
(定着部)
定着部120は、定着ドラム184、ハロゲンヒータ186、定着ローラ188、及びインラインセンサ190で構成される。定着ドラム184の回転により、記録媒体124は記録面が外側を向くようにして搬送され、この記録面に対して、ハロゲンヒータ186による予備加熱と、定着ローラ188による定着処理と、インラインセンサ190による検査が行われる。
(Fixing part)
The fixing
定着ローラ188は、乾燥させたインクを加熱加圧することによってインク中の自己分散性熱可塑性樹脂微粒子を溶着し、インクを皮膜化させるためのローラ部材であり、記録媒体124を加熱加圧するように構成される。
The fixing
上記の如く構成された定着部120によれば、乾燥部118で形成された薄層の画像層内の熱可塑性樹脂微粒子が定着ローラ188によって加熱加圧されて溶融されるので、記録媒体124に固定定着させることができる。
According to the fixing
また、インク中にUV硬化性モノマーを含有させた場合は、乾燥部で水分を充分に揮発させた後に、UV照射ランプを備えた定着部で、画像にUVを照射することで、UV硬化性モノマーを硬化重合させ、画像強度を向上させることができる。 In addition, when a UV curable monomer is contained in the ink, after the water is sufficiently volatilized in the drying unit, the image is irradiated with UV at the fixing unit equipped with a UV irradiation lamp, so that the UV curable property is obtained. The monomer can be cured and polymerized to improve the image strength.
(排出部)
定着部120に続いて排出部122が設けられている。排出部122は、排出トレイ192を備えており、この排出トレイ192と定着部120の定着ドラム184との間に、これらに対接するように渡し胴194、搬送ベルト196、張架ローラ198が設けられている。記録媒体124は、渡し胴194により搬送ベルト196に送られ、排出トレイ192に排出される。
(Discharge part)
Subsequent to the fixing
なお、図3においてはドラム搬送方式のインクジェット記録装置について説明したが、本発明はこれに限定されず、ベルト搬送方式のインクジェット記録装置などにおいても用いることができる。 Although the drum conveyance type inkjet recording apparatus has been described with reference to FIG. 3, the present invention is not limited to this, and the invention can also be used in a belt conveyance type inkjet recording apparatus.
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited thereto.
[実施例1]
300φターゲットを搭載した市販のスパッタリング装置を用いて、図2に示すように、成膜チャンバ側壁面をフローティング電位とした。基板にはインピーダンスが可変なLCR回路を接続し、基板のインピーダンスを変化させることで、成膜中のVsub(成膜中の基板電位)を変更できるようにした。
[Example 1]
Using a commercially available sputtering apparatus equipped with a 300φ target, as shown in FIG. An LCR circuit with variable impedance is connected to the substrate, and Vsub (substrate potential during film formation) during film formation can be changed by changing the impedance of the substrate.
ターゲットとしてPb1,3(Zr0.42Ti0.39Nb0.19)03を用い、3kWのRfスパッタリングを行い、PZT薄膜(圧電体膜)を作製した。成膜温度は500℃とした。基板は、SOI基板をシリコンRIEエッチングにて加工して作製したダイヤフラム構造上に、スパッタリングによりIr下部電極を蒸着したものを用いた。 Using Pb 1,3 (Zr 0.42 Ti 0.39 Nb 0.19 ) 0 3 as a target, 3 kW Rf sputtering was performed to prepare a PZT thin film (piezoelectric film). The film forming temperature was 500 ° C. The substrate used was an Ir lower electrode deposited by sputtering on a diaphragm structure fabricated by processing an SOI substrate by silicon RIE etching.
得られた薄膜のXRD回折パターンを図5に示す。(100)単一配向を有しており、I(100)/I(200)ピークの強度比をとると、その値は1.29であった。また、Cpから誘電率εを、また、ダイヤフラムの変位量から圧電定数d31を求めたところ、ε=1280、d31=310であった。結果を図6に示す。 The XRD diffraction pattern of the obtained thin film is shown in FIG. It has a (100) single orientation, and its value is 1.29 when the intensity ratio of the I (100) / I (200) peak is taken. Further, when the dielectric constant ε was obtained from Cp and the piezoelectric constant d 31 was obtained from the displacement of the diaphragm, ε = 1280 and d 31 = 310. The results are shown in FIG.
[実施例2]
ターゲットとして、BサイトにNb20%をドープしたPZTを用いたこと以外は実施例1と同様の条件でPZT薄膜を作製した。なお、Zr:Tiは、52:48となるように調整して添加した。また、以下の実施例、比較例においても、Nbのドープ量に関わらず、ジルコニウムとチタンの組成比は、Zr:Ti=52:48で固定して行なった。
[Example 2]
A PZT thin film was produced under the same conditions as in Example 1 except that PZT doped with
[実施例3]
ターゲットとして、BサイトにNb12.5%をドープしたPZTを用いたこと以外は実施例1と同様の条件でPZT薄膜を作製した。実施例3で得られた薄膜のXRD回折パターンを図7に示す。
[Example 3]
A PZT thin film was produced under the same conditions as in Example 1 except that PZT doped with Nb 12.5% at the B site was used as a target. The XRD diffraction pattern of the thin film obtained in Example 3 is shown in FIG.
[実施例4]
ターゲットとして、BサイトにNb12.5%をドープしたPZTを用いたこと以外は実施例1と同様の条件でPZT薄膜を作製した。
[Example 4]
A PZT thin film was produced under the same conditions as in Example 1 except that PZT doped with Nb 12.5% at the B site was used as a target.
[比較例1]
ターゲットとして、BサイトにNb10%をドープしたPZTを用いたこと以外は実施例1と同様の条件でPZT薄膜を作製した。
[Comparative Example 1]
A PZT thin film was prepared under the same conditions as in Example 1 except that PZT doped with
[比較例2]
300φターゲットを搭載した市販のスパッタリング装置を用いて、図4に示すように、成膜チャンバ側壁面をグランド電位とし、基板周辺のチャンバ壁をフローティング電位とした。ターゲットとして、BサイトにNb20%をドープしたPZTを用いた以外、実施例1と同様の成膜条でRfスパッタリングにより成膜を行なった。
[Comparative Example 2]
Using a commercially available sputtering apparatus equipped with a 300φ target, as shown in FIG. 4, the film forming chamber side wall surface was set to the ground potential, and the chamber wall around the substrate was set to the floating potential. Film formation was performed by Rf sputtering under the same film formation conditions as in Example 1 except that PZT doped with
得られた薄膜のXRD回折パターンを図8に示す。得られた膜の(100)/(200)ピークの強度比をとると、その値は1.071であった。また、誘電率ε、圧電定数d31を求めたところ、ε=1280、d31=310であった。 The XRD diffraction pattern of the obtained thin film is shown in FIG. The intensity ratio of the (100) / (200) peak of the obtained film was 1.071. Further, when the dielectric constant ε and the piezoelectric constant d 31 were determined, ε = 1280 and d 31 = 310.
図4に示す成膜装置のように、成膜チャンバ側壁面をグランド電位、基板周辺のチャンバ壁をフローティング壁220’として、フローティング電位とすると、図4における成膜チャンバの側面に向って強いDC成分の電界が発生し、かつ成膜チャンバの底面、すなわち、基板Bに向う電界が弱くなる。したがって、イオンの衝突エネルギーが低くなり、圧電性能が低くなると考えられる。
As in the film forming apparatus shown in FIG. 4, when the film forming chamber side wall surface is a ground potential, the chamber wall around the substrate is a floating
[比較例3]
ターゲットとして、BサイトにNb17%をドープしたPZTを用いたこと以外は比較例2と同様の装置・成膜条件でPZT薄膜を作製した。
[Comparative Example 3]
A PZT thin film was produced under the same apparatus and film formation conditions as in Comparative Example 2 except that PZT doped with Nb 17% at the B site was used as a target.
[比較例4]
ターゲットとして、BサイトにNb9%をドープしたPZTを用いたこと以外は実施例1と同様の装置・成膜条件でPZT薄膜を作製した。
[Comparative Example 4]
A PZT thin film was produced under the same apparatus and film forming conditions as in Example 1 except that PZT doped with Nb 9% at the B site was used as a target.
[比較例5]
ターゲットとして、BサイトにNb6.5%をドープしたPZTを用いたこと以外は実施例1と同様の装置・成膜条件でPZT薄膜を作製した。
[Comparative Example 5]
A PZT thin film was produced under the same apparatus and film formation conditions as in Example 1 except that PZT doped with Nb 6.5% at the B site was used as a target.
[比較例6]
ターゲットとして、Pb1.3(Zr0.52Ti0.48)O3を用いたこと以外は実施例1と同様の装置・成膜条件でPZT薄膜を作製した。
[Comparative Example 6]
A PZT thin film was produced under the same apparatus and film formation conditions as in Example 1 except that Pb 1.3 (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3 was used as a target.
[比較例7]
ターゲットとして、BサイトにNb13%をドープしたPZTを用いたこと以外は比較例2と同様の装置・成膜条件でPZT薄膜を作製した。
[Comparative Example 7]
A PZT thin film was produced under the same apparatus and film forming conditions as in Comparative Example 2 except that PZT doped with
[結果]
結果を図6に示す。また、Nb添加量と誘電率εの関係を図9、Nb添加量および圧電定数d31の関係を図10に示す。駆動耐久性は、温度40℃、相対湿度80%の雰囲気下で、100kHz、25Vp−p、オフセット電圧−12.5Vの正弦波印加で連続駆動させた際の絶縁破壊または変位劣化が生じた回数により以下の基準で判断した。なお、比較例4〜6の駆動耐久性は、誘電率ε、圧電定数d31の数値が低かったため試験をおこなわなかった。また、比較例5、6のVsubの測定も行なわなかった。
[result]
The results are shown in FIG. FIG. 9 shows the relationship between the Nb addition amount and the dielectric constant ε, and FIG. 10 shows the relationship between the Nb addition amount and the piezoelectric constant d 31 . Driving durability is the number of times that dielectric breakdown or displacement deterioration occurred when driven continuously by applying a sine wave of 100 kHz, 25 Vp-p, offset voltage -12.5 V in an atmosphere of a temperature of 40 ° C. and a relative humidity of 80%. Based on the following criteria. The driving durability of Comparative Examples 4 to 6 was not tested because the numerical values of dielectric constant ε and piezoelectric constant d 31 were low. Further, Vsub of Comparative Examples 5 and 6 was not measured.
◎・・・駆動耐久性≧1×1011サイクル
○・・・1×1011サイクル>駆動耐久性≧1×109サイクル
×・・・1×109サイクル>駆動耐久性
図6、9、10より、BサイトへのNbドーピングによって圧電特性・誘電特性が向上する傾向がみられた。しかし、I(100)/I(200)<1.25になると、特性が急激に減衰し、充分な特性が得られないことが確認できた。これらの結果より、インクジェットヘッドなどに適用するにあたり、充分な圧電性能を得るためには、図10に太枠で示す、Nb≧13%、I(100)/I(200)≧1.25を満たす必要があることが確認できる。
◎ ・ ・ ・ Durability of driving ≧ 1 × 10 11 cycles ○ ・ ・ ・ 1 × 10 11 cycles> Durability of driving ≧ 1 × 10 9 cycles × ・ ・ ・ 1 × 10 9 cycles> Durability of driving FIGS. 10 shows that the piezoelectric characteristics and the dielectric characteristics tend to be improved by Nb doping to the B site. However, when I (100) / I (200) <1.25, it was confirmed that the characteristics were rapidly attenuated and sufficient characteristics could not be obtained. From these results, in order to obtain sufficient piezoelectric performance when applied to an inkjet head or the like, Nb ≧ 13%, I (100) / I (200) ≧ 1.25 shown by a thick frame in FIG. It can be confirmed that it needs to be satisfied.
図2に示すように、スパッタリング装置のチャンバ壁面をフローティング電位とし、かつ、基板周辺をグランド電位にすることで、基板に対するイオンの衝突エネルギーを強くすることができ、結晶中の不安定なPbイオンの量を減らすことができるので、高い特性を得ることができると考えられる。一方、図4に示すように、チャンバ壁面をグランドに、かつ、基板周辺をフローティング電位とすることで、プラズマがソフトになり、基板上でPbが充分マイグレーションできるエネルギーを受け取ることができない。これにより、結晶中に不安定で圧電に寄与しないPbイオンが発生し、特性が低下すると考えられる。実施例の結果より、基板電位Vsubを+10V以下とすることで、プラズマ電位との電位差を大きくすることができるので、イオンエネルギーを高くすることができる As shown in FIG. 2, the collision energy of ions against the substrate can be increased by setting the chamber wall surface of the sputtering apparatus to the floating potential and the substrate periphery to the ground potential, and unstable Pb ions in the crystal. Therefore, it is considered that high characteristics can be obtained. On the other hand, as shown in FIG. 4, by setting the chamber wall surface to the ground and the substrate periphery to the floating potential, the plasma becomes soft and cannot receive energy that Pb can sufficiently migrate on the substrate. As a result, Pb ions that are unstable and do not contribute to piezoelectricity are generated in the crystal, and the characteristics are considered to deteriorate. From the results of the examples, by setting the substrate potential Vsub to +10 V or less, the potential difference from the plasma potential can be increased, so that the ion energy can be increased.
1…圧電素子、2…圧電アクチュエータ、3、172…インクジェット式記録ヘッド、11…基板、12…下部電極層、13…圧電体膜、14…上部電極層、15…駆動ドライバ、16…振動板、20…インクノズル(液体貯留吐出部材)、21…インク室(液体貯留室)、22…インク吐出口(液体吐出口)、100…インクジェット記録装置、112・・・給紙部、114…処理液付与部、116・・・描画部、118…乾燥部、120…定着部、122…排出部、124…記録媒体、200…成膜装置(高周波スパッタリング装置)、210…真空容器、211…基板ホルダー、212…ターゲットホルダ、213…高周波電源(RF電源)、217…ガス導入手段、218…ガス排出管、220…フローティング壁、B…基板、G…ガス、T…ターゲット、V…排気
DESCRIPTION OF
Claims (10)
組成式:Pb1+δ[(ZrxTi1−x)1−yNby]Oz
で表される複合酸化物であり、式中、xは0<x<1の範囲であり、yは0.13≦y≦0.25の範囲であり、
かつ、X線回折法によって測定されたペロブスカイト(100)面からの回折ピーク強度I(100)とペロブスカイト(200)面からの回折ピーク強度I(200)の比が、I(100)/I(200)≧1.25を満たすことを特徴とする圧電体膜。
(δ=0およびz=3が標準であるが、これらの値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準値からずれてもよい。) Having a perovskite structure preferentially oriented in the (100) plane;
Composition formula: Pb 1 + δ [(Zr x Ti 1-x ) 1-y Nb y ] O z
Wherein x is in the range of 0 <x <1, y is in the range of 0.13 ≦ y ≦ 0.25,
The ratio of the diffraction peak intensity I (100) from the perovskite (100) plane and the diffraction peak intensity I (200) from the perovskite (200) plane measured by X-ray diffraction method is I (100) / I ( 200) A piezoelectric film satisfying ≧ 1.25.
(Δ = 0 and z = 3 are standard, but these values may deviate from the reference value within a range where a perovskite structure can be taken.)
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